EP1053092B1 - Vorrichtung zum bearbeiten einer materialbahn mit ultraschall - Google Patents

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EP1053092B1
EP1053092B1 EP99907391A EP99907391A EP1053092B1 EP 1053092 B1 EP1053092 B1 EP 1053092B1 EP 99907391 A EP99907391 A EP 99907391A EP 99907391 A EP99907391 A EP 99907391A EP 1053092 B1 EP1053092 B1 EP 1053092B1
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EP
European Patent Office
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sonotrode
drive
counter tool
machine frame
force
Prior art date
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EP99907391A
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English (en)
French (fr)
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Klaus Kubik
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Eduard Kuesters Maschinenfabrik GmbH and Co KG
Original Assignee
Eduard Kuesters Maschinenfabrik GmbH and Co KG
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Definitions

  • the invention relates to a device of the preamble of claim 1 corresponding type.
  • Such a device is known from DE 195 26 354 C1.
  • the processing consists, for example, of Solidification of a thermoplastic fiber Nonwoven by partially fusing the fibers.
  • a known device is provided with a sensor, which is the gap height between the sonotrode and the Counter tool detected and with its signal the distance is regulated. The exact and reliable recording of the However, gap height is a difficult undertaking and requires a complex measuring device.
  • the object of the invention is to ensure compliance to improve a smooth processing effect.
  • the force measurement takes into account that size to a certain extent, the consequences of the other influencing factors are included. Such a regulation takes place with a manipulated variable, which is directly relevant to the treatment effect is.
  • the force measurement is compared to that Distance measurement, much easier. Be at the same time all relevant factors are taken into account, unlike in the temperature measurement, which can only be traced back to it Changes in the gap height can take into account.
  • Rigid and positive support is important the sonotrode.
  • a constructive one achievable rigidity which is an elastic retreat the sonotrode among those transferred from the material web Forces prevented as much as possible. This is what happens no vertical vibration response of the feed unit if the sonotrode is excited from the material web or the engraving roller becomes. In this way, very high production speeds can be achieved.
  • the pressure force of the sonotrode can only be sufficient, however can be recorded exactly, and to regulate the gap used when the engraving density of the counter tool is constant, i.e. e.g. with a rotating engraving roller as Counter tool always have the same number of engraving points (force concentration points) located under the sonotrode foot.
  • the engraving density is in this sense does not remain constant if e.g. on the engraving roller Longitudinal webs (parallel to the roller axis).
  • the strength fluctuates during the rotation of such an engraving roller and has in places the longitudinal bars Maxima.
  • the force cannot be clearly recorded here and be used as the basis for the regulation. It must therefore have a uniform, homogeneous engraving pattern corresponding to one same welding or perforation patterns are available when the roller rotates, there is a quasi-constant support.
  • the embodiment according to claim 2 important, which ensures that the detection of the force free of transverse forces remains.
  • An advantageous embodiment of the drive is the subject of Claims 3 to 5.
  • the device designated 100 as a whole in FIG. 1 comprises a vertical fixed to the machine frame 1 Straight guidance in the form of a dovetail rail 2, on which a first carriage 3 and a second, additional Slide 4 can be moved in the direction of arrow 5 are stored.
  • An ultrasound generation unit is located on the first carriage 3 6 fixedly arranged on a sonotrode 7 acts radially against a relief roller 8, which forms the counter tool.
  • the relief roller 8 has one uniform engraving density, so that the sonotrode 7 always to a largely constant support cross section of the Engravings.
  • Between the front 7 ' Sonotrode 7 and the circumference 8 'of the counter roller 8 is under Leaving a gap height 9 passed through a material web 10, for example, from a nonwoven made of thermoplastic Fibers can exist. Due to the high frequency Compressions the material between the apices of the Engraving elevations of the counter roller 8 and the end face 7 ' the sonotrode experiences, there are local temperature increases until the thermoplastic fibers soften.
  • the heating can be dosed so that it just melts together of fibers, but breakthroughs in the Material to be avoided. With appropriate control Such breakthroughs can also result in energy input be brought about consciously, i.e. it can be done according to the procedure can also be punched or cut.
  • the energy input which a certain point of the material web for the short time of passing the gap 11 between the Sonotrode 7 and the counter roller 8 is exposed quite critical for the editing effect. This energy input depends on the prevailing in the gap 11 Strength. It is plausible that the effects of the Make ultrasonic vibrations more noticeable, ever tighter the material web in the gap 11 compressed becomes.
  • a Load cell arranged in the form of a load cell 20, which is the drive designated by 25 as a whole applied force completely on the slide 3 transmits and thus emits a signal which except for low friction losses on the dovetail rail 2 the force acting in the gap 11 against the counter roller 8 presents.
  • the drive designated as a whole comprises 25 a stepper motor 12, which is supported on the machine frame 1 is and twisted a threaded piece 13, which over a threaded spindle 14 on a 15 designated as a whole Knee joint acts, the lower leg 16 on the second carriage 4 and its upper leg 17 on the machine frame 1 are stored.
  • the knee joint 16.17 in Association with the self-locking spindle drive 12,13,14 represents a rigid within the constructively possible Support of the carriage 3, 4 and the sonotrode 7 on the machine part 1, on which the counter roller 8 is stored. Among those of the material web 10 on the Transmitted forces sonotrode 7 gives way to sonotrode 7 at least not noticeably back.
  • the carriage 4 stops resulting from the inclination of the leg 16 lateral force component away from the load cell 20.
  • the load cell 20 can also be located elsewhere the power transmission between the drive 25 and the gap 11, e.g. between the ultrasound generating unit 6 and the sonotrode 7 or in the area of Knee joint 15, which is special because of the transverse forces requires additional constructive or circuit measures, to ensure the force in the gap is as error-free as possible 11 signal to come. The same applies if the positioning of the sonotrode 7 against the counter roller 8 not in the middle of a knee joint 15, but in the middle another facility.
  • the signal from the load cell 20 is fed via line 21 to a control and regulating unit 30, which controls stepper motor 12 via line 22.
  • the control takes place in such a way that the force F s in the gap 11 is kept constant.
  • the machining effect also remains constant, regardless of whether the material web 10 has fluctuations in thickness, the sonotrode 7 is subject to thermal expansions or the roller 8 bends.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Eine Vorrichtung zum Bearbeiten einer kontinuierlich vorlaufenden Materialbahn (10) umfasst eine Ultraschallerzeugungseinheit (6) mit einer Sonotrode (7), die einer Gegenwalze (8) starr gegenübersteht. In dem Spalt (11) wird die Materialbahn (10) bearbeitet. Zur Einstellung der Spalthöhe (9) wird die Kraft (Fs) in dem Spalt (11) mittels eines Kraftmessgliedes (20) gemessen und zur Regelung benutzt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung der dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechenden Art.
Eine derartige Vorrichtung geht aus der DE 195 26 354 C1 hervor. Die Bearbeitung besteht beispielsweise in der Verfestigung eines aus thermoplastischen Fasern bestehenden Vlieses durch stellenweise Verschmelzung der Fasern. Um zu einem optimalen Bearbeitungseffekt zu kommen, bedarf es einer sehr genauen Einhaltung des Abstandes zwischen der Sonotrode und dem Gegenwerkzeug bzw. der Hüllfläche des gegebenenfalls auf diesem angebrachten Reliefs. Aus diesem Grund ist bekannten Vorrichtung ein Sensor vorgesehen, der die Spalthöhe zwischen der Sonotrode und dem Gegenwerkzeug erfaßt und mit dessen Signal der Abstand geregelt wird. Die exakte und zuverlässige Erfassung der Spalthöhe ist jedoch ein schwieriges Unterfangen und bedarf einer aufwendigen Meßeinrichtung.
Die Einhaltung einer bestimmten Spalthöhe muß so genau erfolgen, da schon Temperaturschwankungen an der Sonotrode und die damit einhergehenden thermischen Ausdehnungen eine erhebliche Rolle spielen. Aus diesem Grund ist bei der Vorrichtung nach der DE 195 13 246 C2 ein die Temperatur der Sonotrode erfassender Sensor vorgesehen, mit dessen Signal die Spalthöhe beeinflußt wird. Auf diese Weise wird aber nur ein Teilaspekt der die Spalthöhe verändernden Größe erfaßt, nämlich nur die temperaturbedingten Verlagerungen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einhaltung eines gleichmäßigen Bearbeitungseffektes zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 wiedergegebene Erfindung gelöst.
Durch die Regelung der von der Sonotrode ausgeübten Kraft werden die anderen die Spalthöhe beeinflussenden Größe miterfaßt. Wird die Sonotrode heiß und verkleinert sich dadurch die Spalthöhe, so nimmt Kraft an der Sonotrode zu und muß die Sonotrode etwas von dem Gegenwerkzeug weggezogen werden. Schwankt die Materialdicke, so äußert sich dies in Schwankungen der Kraft, die mittels der Erfindung ausgeregelt werden können, so daß sich wieder ein gleichmäßiger Bearbeitungseffekt einstellt.
Die Kraftmessung berücksichtigt diejenige Größe, die die Folgen der anderen Einflußgrößen gewissermaßen miterfaßt. Eine derartige Regelung erfolgt mit einer Stellgröße, die unmittelbar für den Behandlungseffekt maßgeblich ist. Dabei ist die Kraftmessung, verglichen mit der Abstandsmessung, wesentlich einfacher. Gleichzeitig werden alle maßgeblichen Faktoren berücksichtigt, anders als bei der Temperaturmessung, die nur die darauf zurückzuführenden Änderungen der Spalthöhe berücksichtigen kann.
Wichtig ist die starre und formschlüssige Abstützung der Sonotrode. Gemeint ist natürlich eine konstruktiv erreichbare Starrheit, die ein elastisches Zurückweichen der Sonotrode unter den von der Materialbahn übertragenen Kräften weitestmöglich unterbindet. Dadurch kommt es zu keiner vertikalen Schwingantwort der Voschubeinheit, wenn die Sonotrode von der Materialbahn oder der Gravurwalze her angeregt wird. So sind sehr hohe Produktionsgeschwindigkeiten erreichbar.
Die Druckkraft der Sonotrode kann allerdings nur dann hinreichend exakt aufgenommen werden, und zur Regelung des Spaltes verwendet werden, wenn die Gravurdichte des Gegenwerkzeugs gleichbleibend ist, d.h. z.B. bei einer sich drehenden Gravurwalze als Gegenwerkzeug sich immer gleich viele Gravurpunkte (Kraftkonzentrationspunkte) unter dem Sonotrodenfuß befinden. Die Gravurdichte ist in diesem Sinn nicht gleichbleibend, wenn sich auf der Gravurwalze z.B. Längsstege (parallel zur Walzenachse) befinden. Die Kraft schwankt während der Rotation einer solchen Gravurwalze und hat an den Stellen der Längsstege Maxima. Die Kraft kann hierbei nicht eindeutig aufgenommen und als Grundlage für die Regelung verwendet werden. Es muß also ein einheitliches, homogenes Gravurmuster entsprechend einem gleichen Verschweißungs- oder Perforationsmuster vorliegen, damit bei Drehung der Walze eine quasi konstante Auflage gegeben ist.
Aus der nicht vorveröffentlichten EP 0 920 977 A1 ist eine weitere Vorrichtung zum Bearbeiten einer Bahn mit Ultraschall bekannt. Bei dieser wird zwar als Sensor zur Messung der Höhe des Bearbeitungsspaltes ein Kraftsensor eingesetzt, nicht bekannt ist jedoch, daß das Gegenwerkzeug eine konstante Gravurdichte aufweisen muß, um optimale Bearbeitungsergebnisse zu erzielen.
Wenn die Kraftmessung auf derjenigen Größe beruht, die unmittelbar für den Bearbeitungseffekt maßgeblich ist, so ist eine darauf beruhende Regelung nur dann optimal, wenn sie die Kraft frei von systematischen Fehlern erfassen kann.
Unter diesem Aspekt ist die Ausgestaltung nach Anspruch 2 wichtig, die dafür sorgt, daß die Erfassung der Kraft frei von Querkräften bleibt. Durch die gemeinsame Führung des Sonotrodenschlittens und des zusätzlichen Schlittens an der Geradführung erfaßt das Kraftmeßglied exakt nur diejenigen Kräfte, mit denen die Sonotrode gegen das Gegenwerkzeug angestellt wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Antriebs ist Gegenstand der Ansprüche 3 bis 5.
Wesentlich an dieser Ausgestaltung ist die zwar längenvariable, aber bei einer bestimmten Länge starre Verbindung zwischen dem Schlitten, an dem der Antrieb angreift, und dem Maschinengestell. Durch die somit erzielte starre Abstützung der Sonotrode an dem Maschinengestell ist die Vorrichtung im Vergleich beispielsweise zu einer pneumatischen Anstellung der Sonotrode weniger empfindlichen gegen Schwingungen. Die Produktionsgeschwindigkeiten sind daher durch diese Ausgestaltung des Antriebs erhöhbar.
Der Gedanke der starren Abstützung der Sonotrode geht für sich genommen aus der DE 44 39 284 C2 hervor.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt.
  • Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht der Vorrichtung;
  • Fig. 2 zeigt einen Schnitt nach der Linie II-II in Fig. 1.
    • Die in Fig. 1 als Ganzes mit 100 bezeichnete Vorrichtung umfaßt eine am Maschinengestell 1 feste vertikale Geradführung in Gestalt einer Schwalbenschwanzschiene 2, an der ein erster Schlitten 3 und ein zweiter, zusätzlicher Schlitten 4 im Sinne des Pfeiles 5 verschiebbar gelagert sind.
    An dem ersten Schlitten 3 ist eine Ultraschallerzeugungseinheit 6 fest angeordnet, die auf eine Sonotrode 7 wirkt, die radial gegen eine Reliefwalze 8 gerichtet ist, die das Gegenwerkzeug bildet. Die Reliefwalze 8 hat eine gleichmäßige Gravurdichte, so daß die Sonotrode 7 immer auf einen weitestgehend konstanten Auflagequerschnitt der Gravurerhebungen trifft. Zwischen der Stirnseite 7' der Sonotrode 7 und dem Umfang 8' der Gegenwalze 8 wird unter Belassung einer Spalthöhe 9 eine Materialbahn 10 hindurchgeführt, die beispielsweise aus einem Vlies aus thermoplastischen Fasern bestehen kann. Durch die hochfrequenten Kompressionen, die das Material zwischen den Scheiteln der Gravurerhebungen der Gegenwalze 8 und der Stirnseite 7' der Sonotrode erfährt, kommt es zu lokalen Temperaturerhöhungen bis zur Erweichung der thermoplastischen Fasern. Wenn es nur um eine Verfestigung eines Vlieses geht, muß die Erwärmung so dosiert werden, daß gerade ein Zusammenschmelzen der Fasern erfolgt, jedoch Durchbrüche in dem Material vermieden werden. Bei entsprechender Steuerung des Energieeintrags können solche Durchbrüche aber auch bewußt herbeigeführt werden, d.h. es kann nach dem Verfahren auch gelocht oder geschnitten werden. Der Energieeintrag, dem eine bestimmte Stelle der Materialbahn für die kurze Zeit des Passierens des Spalts 11 zwischen der Sonotrode 7 und der Gegenwalze 8 ausgesetzt ist, ist also für den Bearbeitungseffekt durchaus kritisch. Dieser Energieeintrag hängt von der in dem Spalt 11 herrschenden Kraft ab. Es ist plausibel, daß sich die Wirkungen der Ultraschallschwingungen um so stärker bemerkbar machen, je fester die Materialbahn in dem Spalt 11 zusammengedrückt wird.
    Zwischen dem Schlitten 4 und dem Schlitten 3 ist ein Kraftmeßglied in Gestalt einer Kraftmeßdose 20 angeordnet, welches die von einem als Ganzes mit 25 bezeichneten Antrieb ausgeübte Kraft vollständig auf den Schlitten 3 überträgt und somit ein Signal abgibt, welches bis auf geringe Reibungsverluste an der Schwalbenschwanzschiene 2 die in dem Spalt 11 gegen die Gegenwalze 8 wirkende Kraft präsentiert.
    Der als Ganzes mit 25 bezeichnete Antrieb umfaßt einen Schrittmotor 12, der am Maschinengestell 1 abgestützt ist und ein Gewindestück 13 verdreht, welches über eine Gewindespindel 14 auf ein als Ganzes mit 15 bezeichnetes Kniegelenk wirkt, dessen unterer Schenkel 16 an dem zweiten Schlitten 4 und dessen oberer Schenkel 17 am Maschinengestell 1 gelagert sind. Das Kniegelenk 16,17 im Verein mit dem selbsthemmenden Spindelantrieb 12,13,14 stellt eine im Rahmen des konstruktiv Möglichen starre Abstützung der Schlitten 3,4 und der Sonotrode 7 am Maschinengesteil 1 dar, an welchem auch die Gegenwalze 8 gelagert ist. Unter den von der Materialbahn 10 auf die Sonotrode 7 übertragenen Kräften weicht die Sonotrode 7 jedenfalls nicht merklich zurück. Der Schlitten 4 hält durch die Schrägstellung des Schenkels 16 sich ergebende seitliche Kraftkomponente von der Kraftmeßdose 20 fern.
    Die Kraftmeßdose 20 kann auch an einer anderen Stelle der Kraftübertragung zwischen dem Antrieb 25 und dem Spalt 11 angeordnet werden, z.B. zwischen der Ultraschallerzeugungseinheit 6 und der Sonotrode 7 oder im Bereich des Kniegelenks 15, was aber wegen der Querkräfte besondere konstruktive oder schaltungsmäßige Zusatzmaßnahmen erfordert, um zu einem möglichst fehlerfrei die Kraft im Spalt 11 repräsentierenden Signal zu kommen. Entsprechendes gilt, wenn die Anstellung der Sonotrode 7 gegen die Gegenwalze 8 nicht mitten eines Kniegelenks 15, sondern mitten einer anderen Einrichtung erfolgt.
    Das Signal der Kraftmeßdose 20 wird über die Leitung 21 einer Steuer- und Regeleinheit 30 zugeführt, die über eine Leitung 22 den Schrittmotor 12 steuert. Die Steuerung erfolgt so, daß die Kraft Fs in dem Spalt 11 konstant gehalten wird. Dadurch bleibt auch der Bearbeitungseffekt konstant, unabhängig davon, ob die Materialbahn 10 Dickenschwankungen aufweist, die Sonotrode 7 thermischen Dehnungen unterliegt oder die Walze 8 sich durchbiegt.

    Claims (5)

    1. Vorrichtung zum Bearbeiten einer kontinuierlich vorlaufenden Materialbahn (10),
         mit einer eine Sonotrode (7) aufweisenden Ultraschallerzeugungseinheit (6),
         mit einem einer der Sonotrode (7) gegenüberliegenden Gegenwerkzeug (8),
         mit einem Maschinengestell (1), in welchem die Sonotrode (7) und das Gegenwerkzeug (8) abgestützt sind,
         mit Mitteln zum Hindurchführen der Materialbahn (10) durch den Spalt (11) zwischen der Sonotrode (7) und dem Gegenwerkzeug (8)
         und mit einem Antrieb (25) zum Anstellen der Sonotrode (7) gegen das Gegenwerkzeug (8) unter starrer und formschlüssiger Abstützung am Maschinengestell (1)
         dadurch gekennzeichnet,    daß das Gegenwerkzeug (8) eine gleichbleibende Gravurdichte aufweist und zwischen den Antrieb (25) und die Sonotrode (7) ein Kraftmeßglied (20) eingeschaltet ist, dessen Signal zur Regelung des Antriebs (25) im Sinne der Erzielung einer konstanten Sonotrodenkraft (Fs) dient.
    2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode (7) mit der Ultraschallerzeugungseinheit (6) an einem gemeinsamen Schlitten (3) an einer gegen das Gegenwerkzeug (8) gerichteten Geradführung (2) verschiebbar ist, daß an der Geradführung (2) auf der Seite des Angriffs des Antriebs (25) ein zusätzlicher Schlitten (4) verschiebbar und daß das Kraftmeßglied (20) zwischen den beiden Schlitten (3,4) angeordnet ist.
    3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Geradführung (2) an einem Maschinengestell (1) angeordnet ist und der Antrieb (25) ein mechanisches längenvariables Stellglied umfaßt, welches einerseits an dem Schlitten (4), andererseits an dem Maschinengestell (1) angreift.
    4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das längenvariable Stellglied ein zwei Schenkel (16,17) aufweisendes Kniegelenk (15) umfaßt.
    5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (25) einen längenvariablen Krafterzeuger umfaßt, der einerseits an dem Maschinengestell (1), andererseits an dem Kniegelenk (15) angreift.
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